航空機エンジンの薄肉、特殊形状、複雑形状ブレードの精密加工技術と設備

航空エンジンの性能を実現するための重要な部品であるブレードは、薄肉、特殊形状、複雑な構造、加工が難しい材料、加工精度と表面品質に対する高い要求などの典型的な特徴を持っています。ブレードの精密かつ効率的な加工をいかに実現するかは、現在の航空エンジン製造分野における大きな課題です。ブレードの加工精度に影響を与える重要な要因の分析を通じて、ブレードの精密加工技術と設備の研究の現状を包括的にまとめ、航空エンジンブレード加工技術の発展動向を展望します。

航空宇宙産業では、軽量で高強度の薄肉部品が広く使用されており、航空機エンジンなどの重要な機器の性能を実現するための重要な部品です[1]。たとえば、大バイパス比の航空機エンジンのチタン合金ファンブレード（図1を参照）は、長さが最大1メートルになり、複雑なブレードプロファイルとダンピングプラットフォーム構造を備え、最薄部の厚さはわずか1.2 mmで、典型的な大型の薄肉特殊形状部品です[2]。典型的な薄肉特殊形状の剛性が弱い部品として、ブレードは加工中に加工変形や振動が発生しやすいです[3]。これらの問題は、ブレードの加工精度と表面品質に重大な影響を及ぼします。

エンジンの性能は、ブレードの製造レベルに大きく依存します。エンジンの動作中、ブレードは高温や高圧などの過酷な動作環境下で安定して動作する必要があります。そのためには、ブレード材料が優れた強度、耐疲労性、高温耐腐食性を備え、構造安定性を確保する必要があります[2]。通常、航空機エンジンブレードにはチタン合金または高温合金が使用されます。しかし、チタン合金や高温合金は加工性が悪いです。切削プロセス中、切削力が大きく、工具が急速に摩耗します。工具の摩耗が増加すると、切削力がさらに増加し​​、より深刻な加工変形と振動が発生し、部品の寸法精度が低下し、表面品質が悪くなります。過酷な作業条件下でのエンジンのサービス性能要件を満たすために、ブレードの加工精度と表面品質は極めて高くなっています。国産の高バイパス比ターボファンエンジンに使用されているチタン合金ファンブレードを例にとると、ブレードの全長は681mm、厚さは6mm未満です。プロファイル要件は-0.12～+0.03mm、入口および排気端の寸法精度は-0.05～+0.06mm、ブレードセクションのねじれ誤差は ±10"表面粗さRaは0.4以上であるμこれには通常、4軸CNC工作機械による精密加工が必要です。しかし、ブレードの剛性が弱く、構造が複雑で、材料が加工しにくいため、加工精度と品質を確保するために、加工担当者は加工プロセス中に切削パラメータを何度も調整する必要があり、CNC加工センターの性能が著しく制限され、大きな効率の無駄が発生します[XNUMX]。そのため、CNC加工技術の急速な発展に伴い、薄肉部品の加工における変形制御と振動抑制を実現し、CNC加工センターの加工能力を最大限に発揮させる方法が、先進的な製造企業にとって緊急のニーズとなっています。

薄肉弱剛性部品の変形制御技術の研究は、長い間エンジニアや研究者の注目を集めてきました。初期の生産実践では、薄肉構造の両側を交互にフライス加工するウォーターライン戦略がよく使用され、変形や振動が寸法精度に及ぼす悪影響をある程度簡単に軽減できます。また、補強リブなどのプレファブリケーション犠牲構造を設置することで、加工剛性を向上させる方法もあります。

難削材の切断技術

高温高圧環境下での安定した使用の要件を満たすため、航空機エンジンブレードの材料として一般的に使用されているのはチタン合金または耐熱合金です。近年、チタンとアルミニウムの金属間化合物も、大きな応用可能性を秘めたブレード材料となっています。チタン合金は、熱伝導率が低く、塑性が低く、弾性率が低く、親和性が強いという特性があるため、切削抵抗が大きい、切削温度が高い、加工硬化が激しい、切削中に工具が摩耗しやすいなどの問題があり、典型的な難削材です（微細構造の形態については図2aを参照）[7]。耐熱合金の主な特徴は、塑性と強度が高く、熱伝導率が低く、内部に高密度の固溶体が多いことです[8]。切削中の塑性変形により、格子が大きく歪み、変形抵抗が高く、切削抵抗が大きく、冷間硬化現象が激しくなりますが、これらも典型的な難削材です（微細構造の形態については図2bを参照）。そのため、チタン合金や耐熱合金などの難削材を効率的かつ精密に切削する技術を開発することが非常に重要です。難削材の効率的かつ精密な加工を実現するために、国内外の学者が革新的な切削方法、最適な加工工具材料、最適化された切削パラメータの観点から徹底的な研究を行ってきました。

2.1 切削加工方法の革新

切削方法の革新的な研究開発の面では、学者たちはレーザー加熱や極低温冷却などの補助手段を導入して、材料の加工性を向上させ、効率的な切削を実現しています。レーザー加熱補助加工[9]（図3a参照）の動作原理は、高出力レーザービームを切削刃の前のワークピース表面に焦点を合わせ、ビームの局所加熱によって材料を軟化させ、材料の降伏強度を低下させることで、切削力と工具摩耗を減らし、切削の品質と効率を向上させることです。極低温冷却補助加工[10]（図3b参照）は、液体窒素、高圧二酸化炭素ガスなどの冷却媒体を使用して切削部に噴霧し、切削プロセスを冷却します。材料の熱伝導率が悪いために局所的に切削温度が高くなりすぎる問題を回避し、ワークピースを局所的に冷たく脆くすることで、チップ破壊効果を高めます。英国のNuclear AMRC社は、高圧二酸化炭素ガスを使用してチタン合金の加工プロセスを冷却することに成功しました。分析によると、乾式切削状態と比較して、極低温冷却支援加工は切削力を低減し、切削面の品質を向上させるだけでなく、工具の摩耗を効果的に低減し、工具の耐用年数を延ばすことができます。さらに、超音波振動支援加工[11、12]（図3cを参照）も、難加工材料の効率的な切削に効果的な方法です。工具に高周波、小振幅の振動を加えることにより、加工プロセス中に工具とワークピースの断続的な分離が実現され、材料除去メカニズムが変化し、動的切削の安定性が向上し、工具と加工面の摩擦が効果的に回避され、切削温度と切削力が低減し、表面粗さの値が低下し、工具の摩耗が減少します。その優れたプロセス効果は広く注目を集めています。

2.2 ツール材料の選択

チタン合金などの難削材の場合、工具材料を最適化することで切削結果を効果的に改善できる[8, 13]。研究によると、チタン合金加工では、加工速度に応じて異なる工具を選択できることがわかっている。低速切削には高コバルト高速度鋼を使用し、中速切削にはアルミナコーティングを施した超硬合金工具を使用し、高速切削には立方晶窒化ホウ素（CBN）工具を使用する。高温合金加工には、高硬度で耐摩耗性に優れた高バナジウム高速度鋼またはYG超硬合金工具を使用する。

2.3 最適な切断パラメータ

切削パラメータも加工効果に影響を与える重要な要素です。対応する材料に適切な切削パラメータを使用すると、加工品質と効率を効果的に向上させることができます。切削速度パラメータを例にとると、切削速度が低いと材料表面に構成刃先領域が形成されやすく、表面加工精度が低下します。切削速度が高いと熱が蓄積しやすく、ワークピースと工具が焼けてしまいます。この点で、ハルビン理工大学の翟元生教授のチームは、一般的に使用されている難削材の機械的および物理的特性を分析し、直交加工実験を通じて難削材の推奨切削速度表をまとめました[14]（表1を参照）。表で推奨されている工具と切削速度を加工に使用すると、加工欠陥や工具の摩耗を効果的に減らし、加工品質を向上させることができます。

3 複雑なブレード表面を精密CNC加工する技術

近年、航空産業の急速な発展と市場需要の高まりに伴い、薄肉ブレードの効率的かつ精密な加工に対する要求がますます高まり、より高精度な変形制御技術の需要がますます高まっています。 インテリジェント製造技術の文脈では、現代の電子情報技術を組み合わせて航空機エンジンブレード加工の変形と振動のインテリジェント制御を実現することが、多くの研究者のホットな話題になっています。 ブレードの複雑な曲面の精密加工にインテリジェントCNCシステムを導入し、インテリジェントCNCシステムに基づいて加工プロセスのエラーを積極的に補正することで、変形と振動を効果的に抑制できます。

加工プロセスにおける能動的な誤差補正では、工具パスなどの加工パラメータの最適化と制御を実現するために、まずプロセスパラメータが加工変形や振動に与える影響を把握する必要があります。一般的に使用される方法は15つあります。16つは、機上測定と誤差解析を通じて各工具パスの結果を分析・推論する方法[17]、もう18つは、動的解析[19]、有限要素モデリング[4]、実験[XNUMX]、ニューラルネットワーク[XNUMX]などの方法を通じて、加工変形と振動の予測モデルを確立する方法です（図XNUMXを参照）。

上記の予測モデルや機上測定技術に基づいて、人々は加工パラメータをリアルタイムで最適化し、さらには制御することができます。 主流の方向は、工具経路を再計画することによって、変形や振動によって引き起こされる誤差を補正することです。 この方向で一般的に使用される方法は、「ミラー補正法」です[20]（図5を参照）。 この方法は、公称工具軌道を修正することにより、単一の切削の変形を補正します。 ただし、単一の補正では新しい加工変形が発生します。 したがって、複数の補正を通じて切削力と加工変形の間に反復的な関係を確立し、変形を21つずつ修正する必要があります。 ツールパス計画に基づくアクティブエラー補正の方法に加えて、多くの学者は、切削パラメータとツールパラメータを最適化および制御することにより、変形と振動を制御する方法も研究しています。 特定のタイプの航空機エンジンブレードの切断では、複数回の直交テストで加工パラメータが変更されました。 テストデータに基づいて、各切削パラメータとツールパラメータがブレードの加工変形と振動応答に与える影響が分析されました[23-XNUMX]。加工パラメータを最適化し、加工変形を効果的に低減し、切削振動を抑制するための経験的予測モデルを確立しました。

上記のモデルと方法に基づいて、多くの企業がCNC加工センターのCNCシステムを開発または改良し、薄肉部品の加工パラメータのリアルタイム適応制御を実現しています。イスラエルのOMAT社[24]の最適フライス加工システムは、この分野の典型的な代表例です。主に適応技術によって送り速度を調整し、定力フライス加工の目的を達成し、複雑な製品の高効率で高品質の加工を実現します。また、北京Jingdiaoも、オンマシン測定適応補正によって卵殻表面パターン彫刻を完成させるという古典的な技術事例に同様の技術を適用しました[25]。米国GEのTHERRIEN[26]は、加工中のCNC加工コードのリアルタイム補正方法を提案し、複雑な薄肉ブレードの適応加工とリアルタイム制御のための基本的な技術手段を提供しました。欧州連合の航空機エンジンタービン部品自動修理システム（AROSATEC）は、積層造形によるブレードの修理後に適応精密フライス加工を実現しており、ドイツのMTU社やアイルランドのSIFCO社のブレード修理生産に適用されている[27]。

4. インテリジェントプロセス設備による加工剛性の向上

インテリジェントプロセス設備を使用してプロセスシステムの剛性を高め、減衰特性を向上させることも、薄肉ブレード加工の変形や振動を抑制し、加工精度を向上させ、表面品質を向上させる効果的な方法です。近年、さまざまな種類の航空エンジンブレードの加工に多数の異なるプロセス設備が使用されています[28]。航空エンジンブレードは一般に薄肉で不規則な構造特性、クランプおよび位置決め領域が小さい、加工剛性が低い、切削荷重の作用下で局所的に変形するため、ブレード加工設備は通常、29点位置決め原則[XNUMX]を満たすことに基づいてワークピースに補助サポートを適用し、プロセスシステムの剛性を最適化し、加工変形を抑制します。薄肉で不規則な曲面では、ツールの位置決めとクランプにXNUMXつの要件が課せられます。第XNUMXに、ツールのクランプ力または接触力を曲面上でできるだけ均等に分散して、クランプ力の作用下でワークピースが局所的に大きく変形するのを防ぐ必要があります。第二に、ツールの位置決め、クランプ、補助サポート要素は、ワークピースの複雑な曲面によりよく適合し、各接触点で均一な表面接触力を生成する必要があります。これらXNUMXつの要件に応えて、学者はフレキシブルツールシステムを提案しました。フレキシブルツールシステムは、相変化フレキシブルツールと適応フレキシブルツールに分けられます。相変化フレキシブルツールは、流体の相変化前後の剛性と減衰の変化を利用します。液相または移動相の流体は剛性と減衰が低く、低圧下でワークピースの複雑な曲面に適応できます。その後、流体は電気/磁気/熱などの外力によって固相に変換または固化され、剛性と減衰が大幅に向上し、ワークピースに均一で柔軟なサポートを提供し、変形と振動を抑制します。

航空機エンジンブレードの従来の加工技術における加工設備は、低融点合金などの相変化材料を補助支持材の充填に使用している。すなわち、ワークピースブランクを6点で位置決めしてクランプした後、ワークピースの位置決め基準を低融点合金を介して鋳造ブロックに鋳造してワークピースの補助支持材とし、複雑な点位置決めを規則的な面位置決めに変換してから、加工部品の精密加工を行う（図30参照）。この加工方法には明らかな欠陥がある。位置決め基準の変換により位置決め精度が低下する。生産準備が複雑で、低融点合金の鋳造と溶解によりワークピース表面に残留物や洗浄の問題も生じる。同時に、鋳造と溶解の条件も比較的悪い[31]。上記の加工欠陥を解決するために、相変化材料と組み合わせた多点支持構造を導入することが一般的な方法である[XNUMX]。支持構造の上端はワークピースに接触して位置決めし、下端は低融点合金チャンバーに浸漬されます。低融点合金の相変化特性に基づいて、柔軟な補助支持が実現されます。支持構造の導入により、低融点合金がブレードに接触して発生する表面欠陥を回避できますが、相変化材料の性能制限により、相変化フレキシブルツールは、高剛性と高応答速度というXNUMXつの主要要件を同時に満たすことができず、高効率の自動化生産に適用することが困難です。

相変化フレキシブルツールの欠点を解決するために、多くの学者が適応の概念をフレキシブルツールの研究開発に取り入れてきました。適応フレキシブルツールは、電気機械システムを通じて複雑なブレード形状と起こり得る形状誤差に適応的に適合することができます。接触力がブレード全体に均等に分散されるようにするために、ツールは通常、多点補助サポートを使用してサポートマトリックスを形成します。清華大学の王輝のチームは、ニアネットシェイプブレード加工に適した多点フレキシブル補助サポート加工装置を提案しました[32, 33]（図7を参照）。ツールは、複数のフレキシブル材料クランプ要素を使用してニアネットシェイプブレードのブレード表面をサポートし、接触面積を増やします。 â€<â€<各接触領域を均一にし、クランプ力が各接触部分とブレード全体に均等に分散されるようにすることで、プロセスシステムの剛性が向上し、ブレードの局所的な変形を効果的に防止します。ツールには複数の受動自由度があり、ブレードの形状とその誤差に適応的に一致させながら、過剰な位置決めを回避できます。柔軟な材料による適応サポートに加えて、電磁誘導の原理も適応型フレキシブルツールの研究開発に適用されています。北京航空航天大学のヤン・イーチンのチームは、電磁誘導の原理に基づく補助サポート装置を発明しました[34]。ツールは、電磁信号によって励起される柔軟な補助サポートを使用し、プロセスシステムの減衰特性を変更できます。クランププロセス中、補助サポートは永久磁石の作用下でワークピースの形状に適応的に一致します。加工中、ワークピースから発生する振動が補助支持部に伝達され、電磁誘導の原理により逆電磁力が励起され、薄肉ワークピース加工時の振動を抑制します。

現在、プロセス設備の設計プロセスでは、有限要素解析、遺伝的アルゴリズムなどの方法を使用して、多点補助サポートのレイアウトを最適化することが一般的です[35]。しかし、最適化結果は通常、36つのポイントでの加工変形が最小になることを保証することしかできず、他の加工部分で同じ変形抑制効果が得られることを保証することはできません。ブレード加工プロセスでは、通常、同じ工作機械でワークピースに対して一連のツールパスが実行されますが、異なる部品を加工するためのクランプ要件は異なり、時間によって変化する場合もあります。静的多点支持方式の場合、補助サポートの数を増やすことでプロセスシステムの剛性を向上させると、一方ではツールの質量と体積が増加し、他方ではツールの移動スペースが圧縮されます。異なる部品を加工するときに補助サポートの位置をリセットすると、加工プロセスが中断され、加工効率が低下します。そこで、加工プロセスに応じてサポートレイアウトとサポート力をオンラインで自動的に調整するフォローアップ加工装置[38-8]が提案されている。フォローアップ加工装置（図XNUMX参照）は、加工手順が始まる前に、工具軌跡と時間変化する切削プロセスの作業条件の変化に基づいて、工具とツーリングの協調的な協力により動的サポートを実現することができる。まず、補助サポートを現在の加工変形を抑制するのに役立つ位置に移動し、 ワークピースはアクティブにサポートされ、ワー​​クピースの他の部分は可能な限り接触せずに所定の位置に留まり、それによって処理プロセス中の時間によって変化するクランプ要件に適合します。

加工設備の適応型動的支持能力をさらに強化し、加工工程におけるより複雑な締め付け要件を満たし、ブレード加工生産の品質と効率を向上させるために、追従補助支持を複数の動的補助支持で形成されるグループに拡張しました。 各動的補助サポートは、動作を調整し、製造プロセスの時間的に変化する要件に応じて、サポート グループとワークピース間の接触を自動的かつ迅速に再構築する必要があります。 再構築プロセスは、ワークピース全体の位置決めを妨げず、局所的な変位や振動を引き起こしません。 この概念に基づくプロセス機器は自己再構成可能なグループフィクスチャ[39]と呼ばれ、柔軟性、再構成可能性、自律性などの利点があります。 自己再構成可能なグループ固定具は、製造プロセスの要件に応じて、支持面上の異なる位置に複数の補助サポートを割り当てることができ、十分な剛性を確保し、冗長なサポートを排除しながら、大面積の複雑な形状のワークピースに適応できます。 固定具の動作方法は、コントローラがプログラムされたプログラムに従って指示を送信し、移動ベースが指示に従ってサポート要素を目標位置に移動することです。 サポート要素は、ワークピースの局所的な幾何学的形状に適応し、適合性のあるサポートを実現します。 単一の支持要素とローカルワークピースとの接触領域の動的特性（剛性と減衰）は、支持要素のパラメータを変更することによって制御できます（たとえば、油圧支持要素は通常、入力油圧を変更して接触特性を変更できます）。 プロセスシステムの動的特性は、複数の支持要素とワークピースとの接触領域の動的特性の結合によって形成され、各支持要素のパラメータと支持要素グループのレイアウトに関連します。 自己再構成可能なグループ固定具の多点支持再構築方式の設計では、ワークピースの幾何学的形状への適応、支持要素の迅速な再配置、および複数の支持点の協調的な協力という40つの問題を考慮する必要がある[XNUMX]。 したがって、自己再構成可能なグループ固定具を使用する場合、ワークピースの形状、負荷特性、固有の境界条件を入力として使用して、異なる加工条件下でのマルチポイントサポートレイアウトとサポートパラメータを解決し、マルチポイントサポートの移動パスを計画し、解決結果から制御コードを生成して、コントローラにインポートする必要があります。 現在、国内外の学者が自己再構成可能なグループ固定具に関する研究や試みを行っています。 海外では、EUプロジェクトSwarmItFIXが、新しい適応性の高い自己再構成可能な固定具システム[41]を開発しました。このシステムでは、移動可能な補助サポートのセットを使用して作業台上で自由に移動してリアルタイムで位置を変更し、加工部品をより適切にサポートします。 SwarmItFIX システムのプロトタイプがこのプロジェクトに実装され (図 9a を参照)、イタリアの航空機メーカーの現場でテストされました。 中国では、清華大学の王輝のチームが、工作機械と連携して制御できる42点クランプ支持作業台を開発しました[9]（図XNUMXb参照）。 この作業台は、片持ちのテノンをサポートし、タービンブレードのテノンの微細加工中に工具を自動的に回避することができます。

5 今後の開発動向に関する議論

5.1 新しい材料

航空機エンジンの推力対重量比設計要件が高まり続けるにつれて、部品の数は徐々に減少し、部品の応力レベルはますます高くなっています。従来の2つの主要な高温構造材料の性能は限界に達しています。近年、航空機エンジンブレードの新しい材料が急速に開発され、薄肉ブレードの製造にますます多くの高性能材料が使用されています。その中で、 γ-TiAl合金[43]は、高い比強度、耐高温性、良好な耐酸化性などの優れた特性を備えています。同時に、その密度は3.9g / cm3で、高温合金の半分にすぎません。将来的には、700〜800の温度範囲でのブレードとして大きな可能性を秘めています。℃。 しかし、 γ-TiAl合金は優れた機械的特性を持っていますが、その高硬度、低熱伝導率、低破壊靭性、高脆性により表面の完全性が悪く、精度が低くなります。 γ-TiAl合金材料の切削加工は、部品の寿命に重大な影響を与えるため、 γ-TiAl合金は重要な理論的意義と価値を持ち、現在のブレード加工技術の重要な研究方向です。

5.2 時間変動適応処理

航空エンジンブレードは複雑な曲面を持ち、高い形状精度が求められます。現在、その精密加工では、主にパス計画とモデル再構築に基づく幾何適応加工法が採用されています。この方法は、位置決めやクランプなどによる誤差がブレードの加工精度に与える影響を効果的に低減できます。しかし、金型鍛造ブレードブランクの厚さが不均一なため、計画されたパスに応じて切削加工中に工具のさまざまな領域の切削深さが異なり、切削加工に不確定要素をもたらし、加工安定性に影響を与えます。将来的には、CNC適応加工プロセス中に、実際の加工状態の変化をより適切に追跡する必要があります[44]。これにより、複雑な曲面の加工精度が大幅に向上し、リアルタイムのフィードバックデータに基づいて切削パラメータを調整する時間変動制御適応加工法が形成されます。

5.3 インテリジェントプロセス機器

エンジン内で最も大きな部品であるブレードの製造効率は、エンジン全体の製造効率に直接影響し、ブレードの製造品質はエンジンの性能と寿命に直接影響します。そのため、ブレードのインテリジェント精密加工は、今日の世界のエンジンブレード製造の発展方向となっています。工作機械とプロセス設備の研究開発は、インテリジェントブレード加工を実現するための鍵です。CNC技術の発展に伴い、工作機械のインテリジェントレベルは急速に向上し、加工・生産能力は大幅に向上しました。そのため、インテリジェントプロセス設備の研究開発と革新は、薄肉ブレードの効率的かつ精密な加工にとって重要な発展方向です。高度にインテリジェントなCNC工作機械とプロセス設備を組み合わせて、インテリジェントブレード加工システム（図10参照）を形成し、薄肉ブレードの高精度、高効率、適応型のCNC加工を実現します。